Tipos de Malha de Controle de Processos Industriais

Sempre que surgir uma oscilação no sistema, o controlador será capaz de atuar sobre o erro entre o setpoint e o valor da variável controlada e eliminá-lo. Abaixo temos uma malha de controle clássica, onde apenas um controlador interage no processo.

Anderson Beltrame

O conceito de realimentação (feedback) sugere que uma simples malha de controle fechada utilizando um controlador PID seja suficiente para manter o valor de uma variável controlada dentro de limites pré-ajustados, haja vista que ela é projetada especificamente para atender um determinado tipo de processo. Desta forma, sempre que surgir uma oscilação no sistema, o controlador será capaz de atuar sobre o erro entre o setpoint e o valor da variável controlada e eliminá-lo. Abaixo temos uma malha de controle clássica, onde apenas um controlador interage no processo.

Na figura 1, o controlador basicamente mede a saída do processo (neste caso, a temperatura), compara com o valor desejado (setpoint), encontra o erro, e calcula uma saída de controle para modificar a posição da válvula de controle até que o erro seja eliminado ou permaneça dentro de limites considerados como nulos.

F.1 - Malha de controle com um controlador

Infelizmente, na prática, não é bem assim que as coisas funcionam. Existem limites. As válvulas de controle se saturam. É impossível abrir uma válvula mais que 100%. Inclusive, há casos onde a própria dinâmica do processo faz com que variações muito bruscas ocorram, seja por alteração de carga, ou mesmo por modificação no valor do setpoint. E por vezes, tal distúrbio acontece em tamanha magnitude, ou dura tanto, que um único controlador convencional PID não é capaz de atuar a tempo, e o “controle” é então perdido. 

Para contornar este tipo de problema, algumas estratégias de controle podem ser utilizadas. Uma delas consiste em associar controladores PID de maneira tal, que de acordo com a sua configuração, conseguem solucionar este tipo de problema. Dentre elas, destacamos: Controle em Cascata, Controle de Relação (ou Razão), Split-range e Feedforward. 

Controle em Cascata

O controle em cascata deve ser implementado quando a malha de controle simples já não responde satisfatoriamente, principalmente em processos de grande inércia e quando o mesmo possui uma contínua perturbação na variável manipulada. Normalmente, aplica-se o controle em cascata, quando os efeitos dos distúrbios da variável manipulada afetam a variável controlada. O controle em cascata emprega pelo menos duas variáveis controladas para atuar sobre uma única variável manipulada. 

Funcionamento

A figura 2 representa um processo de controle de temperatura em um trocador de calor. Analisando-se os resultados obtidos pelo controle em malha fechada composto por um único controlador PID, é possível identificar que durante uma variação na pressão Pe, ou seja, na pressão do óleo combustível utilizado para alimentar o sistema de queima do forno, haverá conseqüentemente uma alteração na vazão Qs (variável manipulada) que, por sua vez, provocará uma variação acentuada na temperatura Ts (variável controlada). 

F.2 – Malha de controle de um forno

Isto ocorre porque a própria dinâmica do processo impõe um determinado tempo até que o controlador possa perceber a alteração do valor de Ts, e agir atuando na válvula TCV1 para modificar a vazão de entrada de óleo. E quando este o faz, o valor de Pe já modificou-se novamente e o sistema não consegue evitar tais oscilações indesejáveis na variável controlada.

Na figura 3 são mostrados os resultados obtidos para a mesma perturbação, porém já com a estratégia de controle em cascata implementada. 

F.3 – Malha de controle de um forno com cascata

Observe que, agora, a nova malha de controle possui um controlador de vazão exclusivo para manter a vazão de óleo combustível independentemente das variações de pressão encontradas em sua tubulação. Quem define o valor de vazão é o controlador de Temperatura (TIC), e uma vez ajustado este valor, que é em função do setpoint e/ou da demanda de fluido a ser aquecido, “qualquer” variação da pressão Pe sensibilizará o controlador de vazão (FIC) através da sua medição (por FE) que, por sua vez, irá agir alterando a abertura da válvula TCV para que o valor de vazão Qc determinado pelo TIC seja constante.

Desta forma, mantém-se o valor da vazão de óleo combustível dependente somente do sinal de controle enviado pelo controlador indicador de temperatura (TIC). Conseqüentemente nota-se que a temperatura Ts tem pouca variação, pois sempre que houver uma oscilação de pressão em Pe não será mais preciso esperar o controlador de temperatura perceber a alteração do valor de Ts, para daí então agir sobre a TCV. Mas sim, o controlador de vazão (FIC) é que se responsabilizará por manter a vazão constante “independente” do valor da pressão Pe. Neste contexto, podemos definir que em uma malha de controle do tipo cascata existem no mínimo dois controladores: o controlador mestre, neste caso o TIC, e o controlador escravo, que neste exemplo é o FIC. 

Exemplos de malha em cascata

A figura 4 exibe uma malha de controle de temperatura em cascata, projetada com uma malha escrava regulando a vazão de vapor, e uma malha mestre regulando a temperatura de saída. Já a figura 5 mostra a malha de controle de nível em cascata, projetada com uma malha escrava regulando a vazão de fluido de entrada, e uma malha mestre regulando o nível.

F.4 - Controle em cascata de um trocador de calor

F.5 – Controle em cascata de um tanque

Controle de Relação

Neste tipo de controle, o valor do setpoint de uma das variáveis depende diretamente do valor de uma segunda variável de processo, normalmente denominada como variável piloto. Basicamente, este controle serve para manter uma determinada proporção entre dois ou mais produtos. A figura 6 exemplifica isso trazendo uma aplicação onde se deseja obter um refresco de fruta a partir da vazão de concentrado de suco (Q1), e de uma determinada vazão de água (Qa).

F.6 - Fabricação de refresco de fruta

A relação k depende da fórmula de fabricação, a qual determina o sabor característico (que obviamente deve ser sempre o mesmo) do produto final do processo. Neste caso, refresco de fruta. Fica, portanto, evidente que independentemente da variação da vazão do concentrado de suco, o sistema deve ser capaz de ajustar o valor da vazão da água, mantendo assim a relação entre a água e o concentrado de suco. Daí o nome: controle de relação. Sua malha mais completa é apresentada na figura 7.

F.7 - Controle de relação

Funcionamento

Através de um elemento de medição de vazão (FE2), o sistema mede o valor da variável piloto, neste caso o concentrado de suco, e envia o sinal para FY. Neste, temos a multiplicação do fator de proporcionalidade da mistura (k) pelo valor de vazão de concentrado de suco. A saída deste bloco segue então diretamente para o controlador de vazão de água (FIC) que, por sua vez, tem como setpoint o sinal vindo de FY.

Desta forma, se o concentrado de suco sofrer alguma alteração no valor de vazão, teremos também uma alteração (de forma proporcional) no valor do setpoint do controlador de vazão de água (FIC), que corrigirá rapidamente a quantidade de água que esta sendo acrescentada na mistura. E como resultado final, a razão (k) de água + concentrado de suco permanecerá constante. 

Controle Feedforward

O controle Feedfoward, também é conhecido como controle por antecipação. Diferentemente do controle convencional (feedback), que espera a dinâmica do processo ocorrer para daí então medir o resultado na saída do processo, o controle feedforward monitora possíveis variações já na entrada do produto (fluido) da variável controlada e as transmite para o controlador da malha fechada atuar “antecipadamente” sobre a variável manipulada. Na figura 8 pode-se observar claramente de que forma isso ocorre. 

F.8 - Controle feedforward

O objetivo deste processo é aquecer e manter a temperatura (Ts) dentro de um valor previamente ajustado (setpoint). Porém, para manter o equilíbrio do sistema, sabemos que para diferentes valores de vazão de entrada (carga) do fluido a ser aquecido, temos diferentes posição de abertura da válvula de controle (TCV). 

Admitindo-se que o sistema esteja estável, no momento em que a carga aumentar, deveremos aumentar também a quantidade de combustível que servirá para aquecer o forno. Logo, se para realizar esta tarefa, optarmos por uma malha de controle simples, com apenas um controlador PID, assim que o aumento de carga ocorrer, o controlador somente irá modificar a posição da válvula de controle (FCV) depois que “sentir” uma diminuição no valor da temperatura Ts. E aí, dependendo da constante de tempo do sistema (tempo de resposta), o processo tenderá a oscilar tornando a temperatura Ts instável. 

No que se refere ao controle proposto na figura 8, tão logo aumente a carga, um sinal proporcional a este aumento é enviado à malha de controle através do transmissor de vazão (FT1), onde é somado ao sinal de saída do controlador de temperatura (TIC) através do somador FY2, que por sua vez se encarregará de antecipadamente adicionar mais combustível ao sistema. Desta forma, a malha de controle feedforward “antecipa” as variações medidas já na entrada da variável controlada, e impede ou minimiza as oscilações no valor de temperatura da variável controlada Ts.Outros exemplos de Controle Feedforward podem ser observados abaixo. Nas figuras 9 e 10 são ilustrados controles de nível a dois, e a três elementos.

F.9 - Controle a dois elementos

F.10 - Controle a três elementos

Controle Tipo Split-Range

O controle Split-Range é uma montagem particular que utiliza no mínimo dois elementos finais de controle, comandados simultaneamente pelo mesmo sinal. Em linhas gerais, esta técnica é normalmente empregada em duas situações:

1) Quando a rangeabilidade necessária para uma aplicação é maior que a rangeabilidade de um único elemento final de controle (figura 11).

F.11 - Controle Split-Range I

Quando uma válvula de controle sozinha não é capaz de controlar o valor de vazão necessária para o processo, podemos recorrer à técnica de “Split-Range”, traduzindo: “Range dividido”, onde, através de duas ou mais válvulas de controle, neste caso duas, a FCV-1A e FCV-1B, é

possível contornar este problema. Para isso, basta ajustar o range de atuação (0 a 100% de abertura) de cada válvula para 50% do sinal de saída do controlador (FIC). Desta forma, de 4 até 12 mA, ou seja, de 0 a 50% do sinal de controle (saída do FIC) a FCV-1A abre de 0 a 100%; caso isto não seja suficiente, e por sua vez o erro ainda persistir, obviamente o sinal de saída do controlador (FIC) aumentará, neste caso, a FCV-1B começará a abrir acima de 12 mA, e atingirá 100% de abertura com 20 mA. 2) Quando é necessário utilizar dois elementos finais de controle indiferente da situação (figura 11).

No exemplo da figura 12, observamos um processo onde o objetivo é controlar a pressão no interior do tanque. Temos dois elementos finais de controle, a válvula FCV-1A (que é responsável pela admissão de gás) e a FCV-1B, que é responsável pela exaustão de gás. A lógica de controle consiste em regular o percentual de abertura das duas válvulas de forma que a pressão fique constante dentro do reservatório: abre-se a FCV-1A e fecha-se a FCV1-B para aumentar o valor da pressão, e fecha-se FCV-1A e abre-se a FCV-1B para diminuir.

F.12 - Controle Split-Range II

Para isso, utiliza-se uma malha de controle do tipo split-range (range dividido) onde o sinal de controle (saída do PIC) é o mesmo para os dois elementos finais de controle (FCV-1A e FCV-1B), porém cada conjunto (válvula + atuador) é configurado de maneira diferente. Ou seja, de acordo com o gráfico da figura 12, a FCV-1A fecha proporcionalmente em função do aumento do sinal de saída (mA) do PIC (controlador indicador de pressão). Já a FCV-1B abre cada vez mais em função do aumento do sinal de saída do PIC. Desta maneira, quando a pressão no interior do tanque assumir o mesmo valor do setpoint do controlador, ambas as válvulas estarão fechadas. Ou seja, a corrente de saída do controlador de pressão é 12 mA para um erro também zero entre o setpoint e a variável controlada (pressão).

*Originalmente publicado na revista Mecatrônica Atual - Ano 4 - N°29 - Set/Out/2006